§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ

Расчет охлаждающего устройства по исходным данным, определяемым условиями эксплуатации, часто приводит к необходимости создания термобатареи, состоящей из большого числа

термоэлементов. Нередко расчетное число термоэлементов может достигать нескольких сот. Это позволяет использовать для питания термобатареи источники относительно высокого напряжения и снимать с них небольшие рабочие токи.

Создание термобатареи, состоящей из многих термоэлементов, связано с необходимостью изготовления большого количества отдельных ветвей, сборки из них термобатареи и, что самое главное, осуществления коммутации большого количества термоэлементов. Коммутация термобатареи представляет собой одну из основных операций в технологическом цикле изготовления охлаждающего прибора. От качества выполнения этой операции в значительной степени зависят параметры готового прибора.

Рис. 25. Схема термобатареи, залитой эпоксидным компаундом.

В связи с тем что в большинстве случаев все термоэлементы соединяются в термобатарее последовательно, некачественная пайка хотя бы одной коммутационной пластины либо нарушение коммутации в процессе эксплуатации приводит к выходу из строя всего прибора.

Кроме того, необходимость применения в слаботочных термобатареях ветвей малых размеров превращает коммутацию в чрезвычайно сложную операцию, доступную только высококвалифицированным работникам. Создание сильноточной батареи — задача более простая. Источником питания для нее могут служить выпрямители с выпускаемыми промышленностью германиевыми или кремниевыми диодами.

Таким образом, выбор режима питания термобатареи является весьма существенным обстоятельством и его решение должно учитывать не только эксплуатационные, но и конструкторско-технологические факторы. При возможности всегда следует отдавать предпочтение сильноточным термобатареям перед слаботочными.

В тех случаях, когда термобатарея представляет собой самостоятельный конструктивно законченный узел, механическое соединение отдельных элементов обычно осуществляется путем заливки батареи в эпоксидный компаунд на основе смолы ЭД-6. Выбор этого компаунда обусловлен тем., что он обладает хорошей адгезией практически ко всем материалам, механически прочен

и имеет сравнительно низкий коэффициент теплопроводности. Последнее особенно важно, так как сквозь компаунд идет обратный тепловой поток от горячих спаев термобатареи к холодным, что снижает эффективность охлаждения. Лучшее конструктивное решение (рис. 25) — это заливка в эпоксидный компаунд только нижней 1 и верхней 2 частей термобатареи так, чтобы в средней ее части (по высоте термоэлемента) имелся достаточный воздушный промежуток. Для исключения непосредственного конвекционного теплообмена между горячими и холодными частями термоэлемента этот воздушный зазор заполняется мипорой или пенопластом 3. Коммутация термобатареи производится после заливки компаундом, что позволяет в дальнейшем производить смену отдельных коммутационных пластин в случае ремонта батареи.

Рис. 26. Разрез кольцевого термоэлемента.

Рис. 27. Разрез кольцевой термобатареи для домашнего холодильника.

Обычно в термобатареях используются ветви прямоугольного сечения. Между тем в охлаждающих устройствах с жидкостным съемом тепла с успехом может быть использована кольцевая система термоэлементов, предложенная А. Н. Ворониным.

Конструкция кольцевого термоэлемента изображена на рис. 26. Предварительно спрессованные положительная и отрицательная ветви 1 и 2, изготовленные в виде колец, надеваются на залуженные коммутационным сплавом металлические трубки 3 и 4, выполняющие функции горячих коммутационных пластин. Между ветвями вкладывается слюдяная шайба 5. Снаружи на термоэлемент надевается металлическое кольцо 6, являющееся холодной коммутационной пластиной.

Рис. 28. Схема расположения элементов в линейной термобатарее, обеспечивающая частичную компенсацию магнитного поля.

Кольцо внутри предварительно залуживается коммутационным сплавом.

Подготовленная таким образом заготовка помещается в специальную горячую прессформу, в которой производится окончательная прессовка полупроводников и одновременно с этим припайка их к наружному и Внутреннему кольцам.

Отдельные кольцевые термоэлементы припаиваются друг к другу легкоплавкими припоями и собираются в батарею. Затем к наружным кольцам термоэлементов припаиваются холодные радиаторные пластины. Во внутреннюю трубку подается проточная вода, снимающая тепло с горячих спаев.

Рис. 29. Бифилярное расположение элементов в термобатарее. (Стрелками показан путь прохождения тока).

На рис. 27 показан разрез блока кольцевой термобатареи, используемой в одном из типов бытового холодильника с жидкостным съемом тепла. Количество термоэлементов, образующих кольцевую термобатарею, должно быть таким, чтобы суммарное падение напряжения на батарее было меньше той разности потенциалов, при которой начинается электролиз воды (1.8-2 в). Если количество термоэлементов столь велико, что суммарное падение напряжения на батарее превышает указанное выше значение, внутреннюю поверхность центральной трубки необходимо электроизолировать от воды.

При работетермоэлектрической батареи вокруг нее образуется магнитное поле. Иногда оно оказывает отрицательное действие на охлаждаемый объект. Создание специальных магнитных экранов не всегда бывает удобным. Поэтому для уменьшения величины магнитного поля термобатареи термоэлементы в последней должны

располагаться в таком порядке, чтобы обеспечивалось бифилярное прохождение тока.

На рис. 28 приведена подобная схема расположения термоэлементов в линейной термобатарее. Здесь в соседних рядах термоэлементов ток проходит в противоположных направлениях, в результате чего образованные этим током магнитные поля взаимно компенсируются.

Другой конструктивный вариант бифилярнод термобатареи изображен на рис. 29. Магнитное поле термоэлементов, расположенных по внешнему кольцевому контуру, компенсируется магнитным полем термоэлементов, расположенных по внутреннему контуру в котором ток протекает в противоположном направлении. Следует отметить, что в бифилярной термобатарее магнитное поле устраняется неполностью. Лучшую компенсацию собственного магнитного поля термобатареи можно получить, вводя дополнительный компенсирующий виток, который по своей конфигурации повторяет расположение термоэлементов в батарее. Он включается последовательно с термобатареей, но таким образом, чтобы направление проходящего сквозь него тока было обратным относительно направления тока в батарее. В результате этого в компенсирующем витке возникает магнитное поле такой же конфигурации, как и в термобатарее, но обратного знака, что вызывает их взаимную компенсацию.